瑞雷面波法评价公路路基质量

瑞雷面波法评价公路路基质量摘要：工程地震勘探中的新方法——瑞雷面波法可以获得面波速度并换算出横波波速、密度及弹性模量等参数。测试方法简便、快速，可以进行原位无破损、连续大面积测量。在公路路基质量评价中，取得了较好的效果。关键词瑞雷面波；路基质量检测路基是公路的最基本组成部分之一，公路路基的坚实稳定是保证路面强度和稳定的先决条件。路基的质量必须进行检测，在诸多检测指标中，路基压实度的检测是重要项目之一。路基压实度的检测一般采用密度法，在每200m范围内每层检测4点。1瑞雷波法检测路基强度的基本原理1.1瑞雷波的基本性质瑞雷面波存在于地表面附近，沿地表面传播，其穿透深度约相当于它的波长。频率越高的波穿透深度越小，可以利用高频波探测浅部地层；用低频波探测深部地层。在震源激发的能量中，约有三分之二的能量转换为面波，且衰减速度比纵波和横波慢。面波的振幅随着距离增大，以1/的规律衰减，因此在远离震源处，面波还有较大的振幅。瑞雷面波在分层介质中，具有频散特性。利用这种性质，可以根据频散曲线划分层位，求出各层速度。另外，瑞雷波的波速与介质的密度紧密相关，波速随介质密度增大而增加。因此可以利用波速与密度的相关性计算密度。1.2瑞雷波检测路基压实度的原理路基的压实度是土方路基的重要的质量指标，压实度用K表示：(1)式中：K—(g/cm3)0一标准击实验能达到的最大密度。瑞雷面波波速与密度的关系如下式：(2)式中：VR--瑞雷波速度，m/s；G--密度，kg／m3。由于剪切模量的增大速度比密度快得多，所以密度增大的同时波速也会增大。一般弹性波波速与密度的相关关系式可表示为：(3)式中a和b为相关系数，由此，压实度可以表示为：(4)式中：VR--路基压实后实测的波速值；VR0--0对应的波速值。根据这一关系式可知，介质密度增大面波速度也随之增大。因此，在一定条件下，可以直接用面波速度检测介质的密度。利用瑞雷波速度还可由公式计算出横波速度，进一步得到动弹性模量。计算过程如下：VR/0.93(VR250m/s)横波速度Vs的计算：Vs=VR/0.94(150VRVR/0.95(VR150m/s)动弹性模量Ed的计算(6)其中：Vs为横波速度；VR为瑞雷波速度；EdVR250m/sv=0.32，当VR250m/sv=0.38。2路基质量检测实例桂林东环路一些路段已出现网裂、下沉、坑洼和翻浆等现象。有些路面破损严重，为了了解路基情况，为进一步的修建工作提供资料，采用瑞雷面波法评价路基质量，要求探测路面以下2m以内是否有软弱层(低速介质)存在、并提供路面下0.4~1.1、1.1~1.8m及1.8~2.5m各段的弹性模量。2.1野外工作技术及测线的布置瑞雷波测量采用SWS-1G型多功能面波仪。12道检波器接收，道间距lm，偏移距2m。检波器频率为4Hz，以锤击为震源。测线布置在公路中心线两侧3m处，即2测线距离6m。同一测线上测点间距为20m。相邻测线的测点交错布置。这样，在公路中心部位每10m内有1个检测点。2.2测区工程地质条件场地处于漓江二级阶地。场地自上而下的地层有填方土、耕作土、砂卵石、灰岩。地下砂卵石层为富水层，若地下灰岩中有破碎带或溶洞，随季节性地下水强烈运动，反复浸泡掏空浅部土壤层，会形成疏松层或土洞，严重时会形成塌陷。2.3频散曲线特征分析对测量的波形记录进行处理，得到瑞雷波VR-H频散曲线。根据实测频散曲线VR随深度的变化可以划分出不同的速度层，也可以说是土壤的密度分层。测量区段内路面大都出现了不同程度的破损，这与路基有直接关系。路基的状态大致有如下几种情况。从图1a可知路面下2.5m深度范围内介质较均匀，波速约200m/s，这种曲线说明此段路基的填方压实层已不存在，土层含水较均匀。图lb显示出有低速层存在，在0.4~4m范围内，波速约160~200m/s，这说明路基含水量大或较疏松，这种情况的路基已不能支撑车辆及路面的压力，路面破损最为严重；从图1c可以看到低速层在0.7~1.5m范围内，原有的填方压实路基只有30cm左右。图1d的填方压实层厚度仅接近lm，在深度2m以下，波速已降到180m/s。以上几种情况都说明路基存在缺陷，在这样的基础上，路面必然出现相应的破损。图2合格路基的频散曲线在路面完好处测得的频散曲线。图2a反映了路基介质较均匀，除在1.3m处稍低外，在2.5m深度范围内平均波速约230m/s。图2b显示在距离地面3m内分为3层，各层面波速度依次为230m/s，240m/s，260m/s。这说明路基面波速度随深度逐渐增大，路基承载力较高，这种频散曲线表明路基质量较好，所以路面保持坚实稳定。根据观测的瑞雷波速度来计算横波速度，而横波速度的大小直接反映了地层的“软”、“硬”程度，并且与介质的物理力学参数密切相关，路基质量评价中直接采用面波速度和横波速度为标准，采用面波VR0=230m/s为质量合格与否的标准，与之相应的横波速度大于240m/s为质量较好，小于240m/s为较差；用面波速度直接评价路基，当面波速度大于230m/s为较好，200~225m/s为较差，低于200m/s为很差。图3c是一测量路段0.4~l.lm，1.1~1.8m，1.8～2.5m三段深度内分别取其瑞雷波平均速度VR1、VR2、VR3作速度分布剖面图，从图可明显看出路基软弱部位。根据式(6)计算了动弹性模量，从实测的频散曲线中，对0.4～1.1m，1.1～1.8m，1.8~2.5m三段分别取其瑞雷波平均速度VR1、VR2、VR3，然后分别计算三段的动弹性模量Ed1，Ed2，Ed3。部分路段数值如表1所示。另外计算出路面2m以内的横波平均速度(如图3b所示)，据此分析沿测线的横向变化规律。如图3a所示，测量路段内，路基强度均较差。瑞雷面波测量结合少量土工检测方法，可以快速、准确地进行路基分层、压实度检测。上述例子是对老路基进行评价，从结果看出路面损坏与路基有直接关系，所以对新建公路的工程地质情况及路基建设时必须进行质量检测以保证道路畅通、耐用。